CollisionAvoidanceSystem/doc/design/speed_calculation.md

速度计算系统设计文档

1. 数据结构分析

1.1 当前数据结构

目前系统中已实现的数据结构如下：

MovementState（运动状态）

public class MovementState {
    public GeoPosition position;  // 位置信息
    public Velocity velocity;     // 速度信息
    public double heading;        // 航向（度）
    public long timestamp;        // 时间戳（毫秒）
}

MovingObject（移动对象基类）

public abstract class MovingObject {
    public GeoPosition currentPosition;  // 当前位置
    public Velocity velocity;            // 速度
    public double heading;               // 航向（度）
    public long timestamp;               // 时间戳（毫秒）
    public Deque<MovementState> stateHistory;  // 历史状态队列
    public int MAX_HISTORY = 10;         // 最大历史记录数
    public double maxSpeed;              // 最大速度
    public MovingObjectType type;        // 类型枚举
}

1.2 数据结构评估

当前数据结构基本合理，但需要考虑以下几点优化：

1. 历史状态队列：

   • 当前MAX_HISTORY=10可能不足以支持平滑的速度计算
   • 建议增加到30-60，以支持更长时间窗口的数据分析

2. 速度计算相关字段：

   • 需要在Velocity类中添加速度计算的置信度字段
   • 考虑添加加速度计算结果的缓存字段

3. 数据质量标记：

   • 建议在MovementState中添加数据质量标记字段
   • 用于标识原始数据是否可靠

2. 速度计算方案

2.1 基本思路

1. 数据预处理：

   • 对原始位置数据进行异常值检测
   • 使用卡尔曼滤波进行数据平滑

2. 速度计算方法：

   • 使用滑动窗口计算平均速度
   • 根据飞机状态（起飞/降落）调整计算参数

2.2 具体实现方案

2.2.1 数据预处理

1. 异常值检测：

   // 检测标准：
   - 位置跳变：相邻两点间距离超过合理范围
   - 时间异常：时间戳倒退或跳变
   - 速度异常：计算得到的速度超过最大限制
   

2. 卡尔曼滤波：

   • 状态向量：[x, y, vx, vy]
   • 观测向量：[x, y]
   • 考虑加速度作为系统噪声

2.2.2 速度计算

1. 滑动窗口计算：

   // 窗口大小：
   - 起飞状态：5-10秒
   - 降落状态：3-5秒
   

2. 加速度约束：

   // 合理加速度范围：
   - 起飞：0.5-2.5 m/s²
   - 降落：-2.0-0 m/s²
   

2.3 状态判断

1. 起飞状态判断：

   • 速度持续增加
   • 高度持续增加
   • 位置相对跑道起点的距离增加

2. 降落状态判断：

   • 速度持续减小
   • 高度持续减小
   • 位置接近跑道

3. 实现步骤

1. 更新数据结构：

   • 修改MAX_HISTORY值
   • 添加数据质量字段
   • 添加速度计算置信度字段

2. 实现数据预处理：

   • 异常值检测
   • 卡尔曼滤波

3. 实现速度计算：

   • 滑动窗口机制
   • 状态判断
   • 加速度约束

4. 添加数据质量监控：

   • 记录异常数据比例
   • 监控速度计算置信度

4. 注意事项

1. 数据同步：

   • 确保位置数据的时间戳准确
   • 处理数据延迟和丢失情况

2. 计算效率：

   • 优化卡尔曼滤波计算
   • 合理设置滑动窗口大小

3. 异常处理：

   • 定义清晰的异常处理流程
   • 保存异常数据用于分析

4. 参数调优：

   • 根据实际运行数据调整参数
   • 建立参数自适应机制